Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Vývoj oxidových senzorů vlhkosti

V oboru vývoje senzorů vlhkosti na bázi oxidových dielektrik jsou v současné době zlepšovány jejich vlastnosti. Jejich technický vývoj se ubírá směrem ke zvýšení tepelné a chemické odolnosti. Současně se zkracuje doba odezvy, tj. zrychlují se sorpce a desorpce, a rovněž se zvyšuje citlivost.

Struktura senzoru vlhkosti s oxidovým dielektrikem

Úplně nejstarší konstrukcí byl, a u některých výrobců stále je, obdélníkový hliníkový plíšek nebo hliníkový drát kruhového průřezu, který byl přímo anodicky oxidován. Potom následovala depozice zlaté elektrody, která je prostupná pro molekuly vodní páry. Dříve se používala i tenká křemíková deska o průměru 2 nebo 3". Nyní je v technické praxi jako nosný substrát jednotlivých vrstev senzoru převážně využívána jemnozrnná korundová keramika v podobě tenké desky o hraně 2 až 4".

Na desku korundové keramiky se nanese základní hliníková vrstva a vytvoří se kontaktní systém spodní elektrody. Následně se oxidací základní vrstvy vytvoří dielektrická vrstva a potom se na takto vytvořené dielek­trikum napaří propustná vrstva zlata, která vytvoří druhou elektrodu vlhkoměrného senzoru. Po připájení vývodů vznikne vlhkoměrný kondenzátor – senzor s obdivuhodnými vlastnostmi.

Díky velkému rozdílu mezi relativní permitivitou vlastního dielektrika a relativní permitivitou vodní páry je změna kapacity takto vytvořeného systému závislá pouze na koncentraci vodní páry v bezprostředním okolí senzoru, a to nezávisle na druhu plynu, který vodní páru obsahuje. Na obr. 1 je znázorněno schematické uspořádání vrstev takto vytvořeného senzoru vlhkosti s oxidovým jednovrstvým dielektrikem.

Po stránce náhradního elektrického schématu jde o paralelní spojení základního kondenzátoru C0 s konstantní kapacitou (kapacita při nulové koncentraci vodní páry v dielektriku) a proměnného kondenzátoru Cf s kapacitou závislou na koncentraci vodní páry v dielektriku. To vše ještě doplněno sériovými rezistory Rs s malým odporem a paralelními svodovými rezistory – konstantním R0 a proměnným Rf s velkým odporem. Toto uspořádání je třeba si představit v trojrozměrném modelu dané skutečnosti.

Reálně tedy jde o měřicí systém s proměnnou impedancí závislou na koncentraci vodní páry a na frekvenci napájení.

Při extrémně tenkém dielektriku se v takové struktuře vyskytne při jejím napájení střídavým napětím (harmonickým nebo neharmonickým) velmi vysoká intenzita elektrického pole. Následkem je poměrně malá elektrická pevnost senzorů s jednovrstvým dielektrikem (přibližně 10 V).

Dvouvrstvá struktura senzoru

Pro zvýšení elektrické pevnosti lze využít vrstvené dielektrikum. Vyrábí se tak, že se do základu přidá ještě jedna vrstva oxidu. Tím v principu vznikne sériové spojení dvou kondenzátorů. Výsledná kapacita klesne, vzroste svodový odpor celku, a tak i elektrická pevnost. Dosahováno je hodnoty přibližně 20 až 30 V.

První dielektrikum je více méně nenavlhavé a vytvoří kondenzátor o konstantní kapacitě. Druhé dielektrikum svou proměnnou relativní permitivitou zajišťuje očekávanou funkci senzoru.

Na obr. 2 je ilustrativní snímek povrchu dvouvrstvého dielektrika Ta2O5 + Al2O3 ještě před technologickou operací depozice propustné zlaté vrstvy druhé elektrody senzoru vlhkosti.

Okénko do české historie vývoje senzorů vlhkosti

V Československu byly hygrometrické senzory Al-Al2O3-Au typu metal-oxid-metal vyvíjeny koncem 70. let minulého století a tento typ senzorů se začal vyrábět v Tesle Třinec pod označením KA 1165.

Uvedené senzory však měly nevýhodu v příliš dlouhé době desorpce při měření vlhkosti pod teplotou bodu ojínění –20 °C.

Na počátku roku 1991 byly firmou ČKD Polovodiče pro konstrukci senzoru vlhkosti převzaty výsledky základního výzkumu MFF UK v Praze týkající se technologie vytvoření navlhavého dielektrika Al2OH. Výzkumně-vývojová základna ČKD Polovodiče měla všechny možnosti pro zvládnutí potřebných technologických operací, a to včetně kritické operace napařování vrstvy zlata, propustné pro molekuly vodní páry. Na obr. 3 je fotografie první generace senzorů vlhkosti ČKD Polovodiče s čipem vytvořeným na křemíkové destičce. Nevýhodou těchto senzorů s typovým označením HS 2Al byla nižší základní kapacita, ale měly již rychlou odezvu (sorpce a desorpce vodní páry) při měření suchých plynů.

Další vylepšení tohoto typu představovala následná hybridizace vlhkoměrného čipu se senzorem teploty a vyhřívacím rezistorem vytvořeným na rubové straně nosného keramického substrátu. Technologie hybridizace byla vyvinuta ve firmě HIO Jelen.

Toto konstrukční uspořádání ukazuje obr. 4. Jde o fotografii druhé generace senzorů s typovým označením HS 5Al. Uvedeným uspořádáním a regulací teploty vlhkoměrného čipu bylo možné vykompenzovat teplotní součinitel jeho dielektrické vrstvy, který převodní charakteristiku naklání a zplošťuje.

Tato konstrukce se používala až do konce roku 1996, kdy následoval další technický vývoj senzorů a návazné mikroprocesorové elektroniky měřicí sondy.

Vlastnosti oxidových senzorů vlhkosti

Vlastnosti senzoru vlhkosti závisejí především na druhu jeho oxidového dielektrika či dielektrik. Typické převodní charakteristiky senzorů vlhkosti s oxidovými dielektriky jsou přehledně znázorněny na obr. 6.

Jednotlivá oxidová dielektrika poskytují senzoru kromě různé citlivosti a rychlosti odezvy i různé teplotní závislosti. Současnou generaci tenkovrstvého senzoru vlhkosti s oxidovými dielektriky představuje obr. 5. Jelikož je jeho aktivní dielektrická vrstva velmi tenká a pórovitá, dosahuje senzor této konstrukce rychlé odezvy na jednotkový skok generované vlhkosti.

Jsou-li známy typické teplotní závislosti daného senzoru, je možné současným měřením teploty čipu v programu návazné mikroprocesorové elektroniky potlačit vliv teplotního součinitele čipu v celém rozsahu pracovních teplot. Výsledkem tohoto řešení, které používá firma Sensorika, je zachování přesnosti měření získané kalibrací vlastní měřicí sondy v kalibrátoru při teplotě +21 °C i pro širší obor pracovních teplot.

V neposlední řadě je možné využít vlastnosti dielektrik ke konstrukci různě citlivých senzorů vlhkosti pro úlohy, jako je např. měření vlhkosti ultrasuchých plynů či plynů vlhkých a teplých.

Příklad vlivu druhu dielektrika na převodní charakteristiku senzoru vlhkosti ukazuje graf na obr. 7.

Obecně platí, že jednovrstvé dielektrikum zajišťuje větší citlivost a rychlost odezvy v oboru měření vlhkosti suchých až ultra­suchých plynů a dielektrikum dvouvrstvé zabezpečuje funkci senzoru v oboru vyšších vlhkostí.

Závěr

V předešlém textu byl načrtnut minulý i současný stav vývoje konstrukce senzorů vlhkosti s dielektriky na bázi oxidů kovů. Je zřejmé, že jejich technický vývoj není zdaleka uzavřen.

Lze očekávat, že dalším vývojem tenkých vrstev a za pomoci přesnějších kalibračních metod bude možné dosáhnout měření ještě menších hodnot koncentrace vodní páry. Již nyní je možné dosáhnout přesného měření koncentrace vodní páry v měřeném plynu v úrovni 0,1 ppmV.

Literatura:

[1] KLASNA, M.: Měření stopové vlhkosti plynů – 1. část. Automa, 2006, č. 3.

[2] KLASNA, M.: Měření stopové vlhkosti plynů – 2. část. Automa, 2006, č. 4.

[3]   KLASNA, M.: Technika měření vlhkosti plynů – měření v prostředí s nebezpečím výbuchu. Automa, 2007, č. 3.

[4]   KLASNA, M.: Měření vlhkosti plynů v extrémních podmínkách – 1. část. Automa, 2007, č. 12.

[5]   KLASNA, M.: Měření vlhkosti plynů v extrémních podmínkách – 2. část. Automa, 2008, č. 3.

[6]   KLASNA, M.: Měření vlhkosti stlačeného vzduchu. Automa, 2008, č. 11.

[7]   KLASNA, M. – BLAŽEK, J.: Teplotní součinitel při měření relativní vlhkosti plynů. Automa, 2009, č. 3.

[8]   KLASNA, M. – BUREŠ, J.: Experimentální porovnání metod měření vlhkosti medicinálních plynů. Automa, 2010, č. 8-9.

[9]   KLASNA, M. – LÁZNIČKA, P.: Příklady úloh měření vlhkosti plynů (část 1). Automa, 2011, č. 10.

[10] KLASNA, M. – LÁZNIČKA, P.: Příklady úloh měření vlhkosti plynů (část 2). Automa, 2012, č. 1.

[11] KLASNA, M. – LÁZNIČKA, P.: Příklady úloh měření vlhkosti plynů (část 3). Automa 2012, č. 12.

 Ing. Miloš Klasna, CSc., Ing. Josef Bureš, Sensorika, s. r. o.

Obr. 1. Schematické znázornění vrstev senzoru vlhkosti s jedno­vrstvým oxidovým dielektrikem

Obr. 2. Povrch dvouvrstvého dielektrika Ta2O5 + Al2O3

Obr. 3. První generace senzorů vlhkosti s oxidovým dielektrikem výroby ČKD Polovodiče (čip vytvořený na křemíkové destičce je přitmelen a kontaktován na korundovou podložku)

Obr. 4. Druhá generace senzorů vlhkosti s oxidovým dielektrikem výroby ČKD Polovodiče (čip vytvořený na křemíkové destičce je přitmelen a kontaktován na korundovou podložku nesoucí na lícní straně čip PN přechodu ve funkci senzoru teploty a na rubové straně tlustovrstvý vyhřívací rezistor)

Obr. 5. Současná generace senzorů vlhkosti s oxidovým dielektrikem (vyráběné technologií tenkých vrstev na korundové pod­ložce)

Obr. 6. Typické charakteristiky senzorů vlhkosti s různými oxidovými dielektriky

Obr. 7. Porovnání normované citlivosti senzorů vlhkosti K vztažené k teplotě rosného bodu tDP = –70 °C s jednovrstvým a dvouvrstvým dielektrikem